一种高效复合光催化剂的构建

        能源与环境问题是当今世界所面临的两个巨大挑战,有效解决这两个问题关系到全人类能否实现可持续发展。太阳能具有取之不尽用之不竭而且清洁无污染等特点,如果能够充分利用太阳能,那么能源与环境问题将会得到大大缓解。1972年,日本科学家Fujishima和Honda等人发现二氧化钛(TiO2)具有光催化分解水产氢的性能,从此光催化作为一门全新的学科登上了历史舞台。在合适的光照条件下,电子会从半导体的价带被激发到导带,从而实现了电子与空穴的分离;而光生电子空穴具有很强的氧化还原能力,能够与吸附在光催化剂表面的物质(如H2O,有机物分子等)发生反应,生成氢气或者降解有机污染物,从而达到利用太阳能缓解能源与环境问题的效果。但是,太阳光中紫外光部分很少(<5%),而可见光占绝大多数(~43%),由于TiO2的帯隙较大,无法利用太阳能中的可见光部分,因此其实际应用价值大大降低。由于多种因素(如电子空穴复合速率较快等)的限制,目前可见光光催化剂的效率较低,远远达不到实际应用的要求。因此开发具有高光催化性能的可见光光催化剂具有重要的意义。其中,构建异质结复合光催化剂是提高电子空穴对分离效率的有效手段之一,当两种具有合适带隙结构的半导体相互复合后,电子和空穴便可以朝不同的方向转移,从而达到提高电子空穴对分离效率的目的。

        最近,天津大学巩金龙教授及其团队开发出一种具有新颖结构和高光催化性能的复合光催化剂。他们通过形貌控制与异质结构建相结合的方法,将磷酸银选择性沉积于钒酸铋的(040)晶面,合成出一种具有高活性的磷酸银/钒酸铋复合光催化材料。

        首先,在表面活性剂的辅助下,通过水热法合成出暴露高活性的(040)晶面的切角四方双锥形钒酸铋;其次,残留的表面活性剂选择性吸附于钒酸铋的{110}晶面,阻挡了银离子的吸附位,而钒酸铋的(040)晶面可以为银离子提供充足的吸附位,从而加入相关前驱体后,磷酸银选择性地沉积于钒酸铋的(040)晶面。由于磷酸银和钒酸铋具有相似的能带结构,传统意义上的简单复合难以实现电子和空穴的有效分离,而磷酸银的选择性沉积改变了钒酸铋的局部结构,有利于促进电子空穴对的分离。同时,复合光催化剂优异的可见光响应性能以及选择性暴露的高活性晶面也对复合光催化剂的催化性能起到了促进作用,这几个方面的协同作用造就了其优异的光催化性能。

        因此,我们可以看出在异质结复合光催化剂的构建过程中,合理的结构设计具有重要的意义,这将为构建高效复合光催化剂提供重要的指导作用。

        该论文得到三位审稿专家的好评,被选为当期VIP文章。相关工作的得到了国家自然科学基金,教育部新世纪优秀人才等基金的支持。

 

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